DE102009022423B4

DE102009022423B4 - Alternating field excitation by direct currents for energy conversion

Info

Publication number: DE102009022423B4
Application number: DE102009022423A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2029-05-23
Also published as: DE102009022423A1

Abstract

Gleichstromerregter magnetischer Kreis zur Wechselfelderzeugung bei linearen oder rotierenden Wandlern in transversaler oder longitudinaler Flussführung aus mindestens zwei Teilen bestehend, mit zumindest einer gleichstromführenden Spule, die ein magnetisches Feld erzeugt, wobei der zumindest eine stromführende und magnetisierende Teil jeweils von einem sich diesem gegenüber drehbaren, segmentartigen, magnetisch leitfähigen Rotor (Re) umgeben ist, das dem zumindest einen Rotor (Re) über einen kleinen Luftspalt angrenzende magnetisch leitfähige Rahmenelement (Lp) gegenüber dem jeweiligen Rotor (Re) zwei etwa diametrale Einschnürstellen (T) aufweist, die jeweils mit einem Arbeitsspalt (S1, S2) in Verbindung stehen, und wobei bei konstantem Fluss in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des zumindest einen Rotors (Re) in den Arbeitsspalten (S1, S2) ein magnetisches Wechselfeld erzeugbar ist.DC-excited magnetic circuit for alternating field generation in linear or rotary transducers in transversal or longitudinal flux guide consisting of at least two parts, with at least one DC-conducting coil which generates a magnetic field, wherein the at least one current-carrying and magnetizing part in each case of a this against rotatable, segmented , magnetically conductive rotor (Re) is surrounded, the at least one rotor (Re) via a small air gap adjacent magnetically conductive frame member (Lp) relative to the respective rotor (Re) has two approximately diametrical Einschnürstellen (T), each with a working gap (S1, S2) are connected, and wherein at constant flux as a function of the rotational speed of the at least one rotor (Re) in the working gaps (S1, S2) an alternating magnetic field can be generated.

Description

Stand der TechnikState of the art

Hierbei werden die Entgegenhaltungen

1) US 7 038 565 B1
2) US 5 723 928 A
3) GB 852 714 A

berücksichtigt.Here are the citations

1) US Pat. No. 7,038,565 B1
2) US 5 723 928 A
3) GB 852 714 A

considered.

Die Bereitstellung der Erregung für starke magnetische Felder wird gern auf die Anwendung von supraleitenden Spulen zurückgeführt. Material- und systembedingt ist die Supraleitung auf Gleichstrom beschränkt. Die Überlagerung selbst nur kleiner Stromschwankungen induziert in den Spulen Wirbelstromverluste, die bei tiefen Temperaturen durch die hochbeanspruchte Kühlung nur schwer abgeführt werden können. Bei Einsatz im Bereich der Energietechnik und der Magnetschwebetechnik für Bahnen werden besondere Maßnahmen getroffen, um durch eine Art Schirmung der Spulen von außen verursachte Feldschwankungen vom Supraleiter abzuhalten.The provision of the strong magnetic field excitation is often attributed to the use of superconducting coils. Due to the material and system, the superconductivity is limited to direct current. The superimposition of even small current fluctuations induces eddy current losses in the coils, which are difficult to dissipate at low temperatures due to the highly stressed cooling. When used in the field of energy technology and the magnetic levitation technology for trains special measures are taken to prevent by a kind of shielding of the coils from the outside caused field fluctuations from the superconductor.

Die durch die Supraleiter ermöglichten hohen Stromdichten führen für die Anwendung zu den erwünschten Querschnittsbeschränkungen und ermöglichen grundsätzlich auch bei großen Arbeitsspalten hohe Felddichten. Dort, wo kein Eisen für den Magnetkreis verwendet wird, lässt sich die bekannte Sättigungsgrenze für die Felddichte überschreiten. Im Falle von Eisen besteht der Vorzug, Felddichten nahe der Sättigungsgrenze zu verwirklichen. Der zur Felderzeugung zu bedenkende Leistungsbedarf beschränkt sich dabei auf die Bereitstellung der Kühlleistung, um die dem supraleitenden Zustand des Leitermaterials adäquaten tiefen Temperaturen zu ermöglichen. Letztere liegen für sogenannte Tieftemperatur-Supraleiter TSL nur wenige Kelvin höher als der absolute Nullpunkt. Sie sind für die sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter HTSL je nach Kühlverfahren und Leitermaterial um 20–30 K höher.The high current densities made possible by the superconductors lead to the desired cross-sectional restrictions for the application and, in principle, allow high field densities even with large working gaps. Where no iron is used for the magnetic circuit, the known saturation limit for the field density can be exceeded. In the case of iron, it is preferable to realize field densities near the saturation limit. The power requirement to be considered for field generation is limited to providing the cooling capacity in order to allow the superconducting state of the conductor material to be adequately low temperatures. The latter are only a few Kelvin higher than the absolute zero for so-called cryogenic superconductors TSL. Depending on the cooling method and conductor material, they are 20-30 K higher for the so-called high temperature superconductors HTSC.

Es gilt als ziemlich ausgeschlossen, diese tiefen Temperaturen ohne den Einsatz eines sehr hochgradigen Vakuums als Hilfsmittel für eine perfekte thermische Isolation verwirklichen zu können. Aufgrund des kühltechnischen Aufwands sind Anwendungen bei kleiner Wandlerleistung unwirtschaftlich. Zahlreiche neue Anwendungen mit HTSL-Technik betreffen Synchronmaschinen mittlerer Leistung. Sie machen Gebrauch von der Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes durch SL-Spulen im Maschinenrotor. Das Kühlmittel muss dabei über die Hohlwelle den Rotorspulen zugeführt werden. Diese anspruchsvolle Technik stellt ein Hindernis gegen die Einführung von Supraleitern für elektromagnetische Wandler dar. Es könnte als großer Fortschritt angesehen werden, wenn es gelingen würde, im stationären Teil einer Maschine oder Anlage durch Gleichstrom führende Spulen im angrenzenden Arbeitsraum verlustarm Wechselfelder zu erzeugen.It is quite out of the question to be able to realize these low temperatures without the use of a very high degree of vacuum as a tool for perfect thermal insulation. Due to the cooling effort, applications with low converter power are uneconomical. Many new applications using HTS technology involve medium power synchronous machines. They make use of the generation of the DC magnetic field by SL coils in the machine rotor. The coolant must be supplied to the rotor coils via the hollow shaft. This sophisticated technology is an obstacle against the introduction of superconductors for electromagnetic transducers. It could be regarded as a great step forward if it were possible to produce alternating fields in the stationary working space with low-loss coils in the stationary part of a machine or system.

Für die Arbeitsweise von magnetischen Kreisen, zwischen deren Teilelementen zur Leistungsumsetzung nützliche Kraftwirkungen erzeugt werden sollen, spielt in fast allen Fällen eine hohe magnetische Leitfähigkeit, die durch Eisen darstellbar ist, eine wichtige Rolle. Es lassen sich damit scharfe Abgrenzungen für Feldbereiche unterschiedlicher Dichte und auch unterschiedlicher Polarität erzeugen. Die Anwendung des Eisens ermöglicht auch den Übergang auf Felder mit kleiner Polteilung; was zusammen mit dem Einsatz von Frequenzwandlern, die Ströme hoher Frequenz zulassen, auch bei modernen elektrischen Maschinen mit Erregung durch Permanentmagnete eine große Rollte spielt.For the operation of magnetic circuits, between the sub-elements for power conversion useful force effects to be generated plays in almost all cases, a high magnetic conductivity, which is represented by iron, an important role. It can thus produce sharp boundaries for field areas of different density and also different polarity. The use of iron also allows the transition to fields with small pole pitch; which, together with the use of frequency converters that allow high frequency currents, also plays a big role in modern electric machines with permanent magnet excitation.

In der Entgegenhaltung 1) (sh. insbesondere die 2 mit Text) ist ein magnetischer Kreis beschrieben, der ebenfalls zur Wechselfelderzeugung geeignet ist. Zum Unterschied gegenüber der hier beschriebenen Aufgabenstellung, der Gleichstromanwendung in Spulen, soll das magnetische Feld durch Rotation von Permanentmagneten hervorgerufen werden. Damit wird zur Erregung zwar auch ein durch die Magnetisierung in den Permanentmagneten eingeprägter Gleichstrom herangezogen. Dieser verhält sich jedoch anders als ein der Spannung folgender Strom in der Spule. Innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs der Permanentmagnete bleibt dieser Strom konstant und durch Feldschwankungen nicht beeinflussbar.In the citation 1) (see in particular the 2 with text) a magnetic circuit is described which is also suitable for the generation of alternating fields. In contrast to the task described here, the DC application in coils, the magnetic field is to be caused by rotation of permanent magnets. Thus, although a magnetized by the magnetization in the permanent magnet DC current is used to excite. However, this behaves differently than one of the voltage following current in the coil. Within the permissible operating range of the permanent magnets, this current remains constant and can not be influenced by field fluctuations.

Aufgrund der physikalischen Unterschiede liegt bei der Spule eine andere Problemstellung vor. Zur Unterdrückung der Storm- und Feldschwankungen sind besondere Maßnahmen erforderlich, während sich der rotierende Permanentmagnet als rückwirkungsunempfindlich erweist.Due to the physical differences, the coil has a different problem. To suppress the shock and field fluctuations special measures are required, while the rotating permanent magnet proves to be insensitive to feedback.

Die in der Entgegenhaltung 2) (insbesondere mit 25–27) beschriebene Magnetkreisanordnung nützt die von einem Zusatzrotor in einem Induktionsmotor erzeugte Magnetfeld-Zusatzkomponente in Wanderfeldform. Sie soll durch implantierte rotierende Permanentmagneten oder elektrisch erregte Einheiten am Hauptrotor zu Feldveränderungen und damit zu einem steuerbaren Prozess führen. Abgesehen von der Schwierigkeit der Strombereitstellung geht es hier um eine Anwendung von bewegten stromführenden Spulen ohne die Anwendung der Supraleitung. Eine Feldrückwirkung zur Verlustunterdrückung ist hier nicht vorgesehen. Da es sich um eine Asynchronmaschine handelt, deren Tangentialkraft im Zusammenhang mit den Rotorverlusten steht, wird man eine Verlustunterdrückung gar nicht anstreben dürfen. Es liegt hierbei ein deutlicher Unterschied in Funktion und Aufgabenstellung vor.The in the citation 2) (in particular with 25 - 27 ) uses magnetic field generated by an additional rotor in an induction motor magnetic field additional component in traveling field form. It is to lead by implanted rotating permanent magnets or electrically excited units on the main rotor to field changes and thus to a controllable process. Apart from the difficulty of power supply, this is an application of moving current-carrying coils without the use of superconductivity. A field feedback for loss suppression is not provided here. Since it is an asynchronous machine whose tangential force is related to rotor losses, loss suppression will not be allowed. There is a clear difference in function and task.

In der Entgegenhaltung 3) handelt es sich nach den 1 und 2 sowie der zugehörigen Beschreibung wieder um eine Magnetfelderzeugung variabler Starke mit Hilfe eines drehbar angeordneten Permanentmagneten. Er bewegt sich in einem magnetisch leitfähigen Rahmen mit zwei Einschnürstellen und erzeugt dabei winkelabhängig im Polbereich unterschiedlich große anziehende Kräfte. In the citation 3) it is after the 1 and 2 and the associated description again about a magnetic field generation of variable strength by means of a rotatably arranged permanent magnet. It moves in a magnetically conductive frame with two Einschnürstellen and generates angle-dependent in the pole region different sized attractive forces.

Hier gilt, wie bei Entgegenhaltung 1, dass aufgrund der physikalichen Besonderheit des rückwirkungsfreien Betriebs der Einsatz besonderer Maßnahmen nicht notwendig ist.Here, as with citation 1, the use of special measures is not necessary due to the physical nature of the reaction-free operation.

Der heute gebräuchliche Einsatz von supraleitenden Spulen in der Wandlertechnik beschränkt sich auf den topologisch konventionellen Gebrauch der Gleichfelderzeugung durch Gleichstrom. Die für die Kombination mit einer Wechsel- oder Drehstrom führenden Wicklung notwendige Umwandlung zum Wechselfeld wird durch die Rotation der dem Rotor zugeordneten Spulen erreicht. Die bestehenden geometrischen Zwangsbedingungen in Anwendung auf größere Leistungen und Gerätedimensionen lassen dabei größere Vorteile für die angestrebte Kompaktheit sowie eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit nicht zu. Auch das Mittel der Frequenzsteigerung lässt sich hier nicht gewinnbringend einsetzen.The current use of superconducting coils in the converter technology is limited to the topologically conventional use of direct current generation by direct current. The necessary for the combination with a alternating or three-phase winding conversion to the alternating field is achieved by the rotation of the coils associated with the rotor. The existing geometric constraints in application to greater performance and device dimensions can not afford greater benefits for the desired compactness and an increase in cost-effectiveness. Also, the means of frequency increase can not be used profitably here.

Wenn es um die Erzeugung von magnetsichen Wechselfeldern durch eine stationäre Anlage geht, ist die Anwendung rotierender Permanentmagneten oder rotierender Erregereinheiten, die mit Permanentmagneten bestückt sind, ein zweckorientierter Vorschlag. In der DE 10 2008 061 681 A1 mit älterem Zeitrang wird der Einsatz eines Kollektivs von rotierenden Erregereinheiten zur Erzeugung eines Wanderfeldes beschrieben. Hierbei ist vorwiegend an die Verwendung für kleine Polteilungen im Bereich von etwa 10 cm gedacht. Beim Einsatz für große Polteilungen, etwa für große Generatoren, mit 50 Hz-Ausführung treten die Vorteile der Anwendung supraleitender Spulen, die Gleichstrom führen, hervor.When it comes to the generation of magnetic alternating fields by a stationary system, the use of rotating permanent magnets or rotating excitation units, which are equipped with permanent magnets, a purpose-oriented proposal. In the DE 10 2008 061 681 A1 with older seniority the use of a collective of rotating excitation units to generate a traveling field is described. This is mainly intended for use for small pole pitches in the range of about 10 cm. When used for large pole pitches, such as for large 50 Hz generators, the advantages of using superconductive coils carrying direct current are apparent.

Für einen Einsatz Gleichstrom führender Spulen mit Supraleitung in einer stationären Anlage zur Erzeugung von Wechselfeldern muss, anders als bei rotierenden Permanentmagneten, die Spule vor größeren Feldschwankungen oder gar von Feldwechseln bewahrt werden. Ihre begrenzte Induktivität lässt bei induzierten Spannungen unerwünschte Zusatzströme im Spulenkreis zu, deren Verluste anders nur schwer begrenzt und nur über das kostspielige Kühlverfahren abgeführt werden können.For use of direct current leading coils with superconductivity in a stationary system for generating alternating fields, unlike with rotating permanent magnets, the coil must be protected from larger field fluctuations or even field changes. Their limited inductance allows for induced voltages undesirable additional currents in the coil circuit whose losses are otherwise difficult to limit and can only be dissipated through the costly cooling process.

Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die mittels gleichstromführender Supraleiter erzeugbaren Felder mit Hilfe eines nachgeschalteten Feldinverters so umzugestalten, dass diese zur Anwendung in der Wandlertechnik bei verlustarmer Leistungsumsetzung geeignet sind, ohne dass der Charakter der gleichstromführenden Supraleiter der Spulen gestört wird. Hierbei ist anzustreben, dass die Erregerspulen sich im stationären Teil eines Wandlers befinden, das Wechselfeld durch außerhalb der Spulen ablaufende Maßnahmen erzeugt und in einem Arbeitsraum zur wechselwirkenden Krafterzeugung angeboten wird.It is therefore the object of the present invention to reshape the fields which can be generated by means of direct-current superconductor with the aid of a downstream field inverter so that they are suitable for use in converter technology with low-loss power conversion, without the character of the DC-conducting superconductors of the coils being disturbed. It is desirable that the excitation coils are located in the stationary part of a transducer, the alternating field is generated by outside of the coil expiring measures and offered in a working space for the interactive force generation.

Durch die mit der Supraleitung verbundene hohe Stromdichte im Spulenquerschnitt begrenzter Abmessung gelingt es, hohe Felddichten bereitzustellen, die insgesamt zu einer hohen Kompaktheit des Wandlers führen. Die aus betrieblichen Gründen geforderte Feld-Stellbarkeit wird ebenfalls möglich.By connected to the superconductivity high current density in the coil cross-section of limited dimensions, it is possible to provide high field densities, which lead to a total of high compactness of the transducer. The required for operational reasons field-ability is also possible.

Beschreibungdescription

Um das Feld eines gleichstromführenden Supraleiters in ein Wechselfeld zu verwandeln, wird hier mit 1 von einer stationären Erregeranordnung ET ausgegangen, in deren Zentrum der runde Querschnitt des Supraleiters El steht. Er ist von einem Rohr Gi umgeben, das neben der Halterung gegenüber den ET-Teilen auch die Isolation nach außen abschließt, und dabei auch das Vakuum in seinem Innern zulässt. An die Röhre anschließend, übernimmt drehbar gegen El und Gl ein Halbzylinder Re, bestehend aus hochpermeablem Material, die feldverändernde Funktion. Das ebenfalls gut leitfähige Rahmenelement Lp mit kreisförmigem Innenrand schließt an Re an und ermöglicht dem Magnetfeld den Zugang zum Arbeitsbereich in S1 und S2. Hierbei hat das magnetische Feld jeweils eine größere Spaltlänge zu überbrücken. Je nach Stellung von Re entsteht in den beiden Spalten ein Feld unterschiedlicher Größe und eine unterschiedlich große Felddichte.To transform the field of a DC-conducting superconductor into an alternating field is here with 1 emanating from a stationary excitation device ET, in the center of which is the round cross-section of the superconductor El. It is surrounded by a tube Gi, which in addition to the holder opposite the ET parts also seals the insulation to the outside, while also allowing the vacuum in its interior. Following the tube, a semi-cylinder Re, consisting of highly permeable material, takes over the field-changing function against El and Gl. The well-conductive frame element Lp with circular inner edge connects to Re and allows the magnetic field access to the work area in S1 and S2. In this case, the magnetic field in each case has a greater gap length to bridge. Depending on the position of Re, a field of different size and a different field density is created in the two columns.

1 entspricht der Rotorstellung A, die aufgrund der hohen magnetischen Leitfähigkeit von Re in S1 einen großen Fluss ϕ₁ und hohe Felddichte ermöglicht. Zur gleichen Zeit wird im rechten Spalt S2, wegen des größeren magnetischen Widerstandes, sich nur ein kleiner Fluss ausbilden. Um diesen Befund sicherzustellen, sind die im Mittelbereich liegenden Arbeitsspalten nahe an den Innenkreis von Lp herangezogen und stellen Einschnürungen T dar. 1 corresponds to the rotor position A, which allows a large flux φ ₁ and high field density due to the high magnetic conductivity of Re in S1. At the same time, only a small flow will be formed in the right-hand gap S2 because of the greater magnetic resistance. To ensure this finding, lying in the central region work columns are used close to the inner circle of Lp and represent constrictions T.

Aus 2 ist ersichtlich, dass bei Weiterdrehung von Re um π/2 eine symmetrische Feldbeschickung der Spalte S1 und S2 erzielt wird, wobei aufgrund des Feldverlaufs nun durch erhöhten Widerstand etwa der halbe Maximalfluss entsteht.Out 2 It can be seen that with further rotation of Re by π / 2, a symmetrical field charge of the column S1 and S2 is achieved, due to the field curve now created by increased resistance about half the maximum flux.

Die Weiterdrehung von Re um π/2 bedeutet wieder eine Leitwertsteigerung für die linke Re-Seite, bei gleichzeitiger Leitwertsperre im rechten Bereich. Die Feldbahn des linken Kreisabschnitts ist auf den rechten Spalt S2 geschaltet und führt zu einer Flusssteigerung für ϕ₂. Über dem Drehwinkel α aufgetragen, entsteht so eine Flusskurve für ϕ(α), die zwischen den Grenzwerten der Spaltflüsse ϕ₁ und ϕ₂ wechselt. Im Übergangspunkt haben die Flüsse gleiche Werte. Da sich im jeweils gegenüber liegenden Spalt ein kleiner Restfluss ϕ' bildet, der einen ähnlichen Verlauf wie der Hauptanteil aufweist, muss auch der Gesamtfluss einen starken pulsierenden Anteil zeigen.The further rotation of Re by π / 2 means again a conductivity increase for the left re-side, with simultaneous conductance lock in the right-hand area. The field path of the left circle section is switched to the right gap S2 and leads to a Flow increase for φ ₂ . Plotted above the rotation angle α, a flux curve for φ (α) arises, which changes between the limit values of the gap fluxes φ ₁ and φ ₂ . At the transition point, the rivers have the same values. Since a small residual flux φ 'forms in the opposite gap, which has a similar course to the main portion, the total flux must also show a strong pulsating component.

Die Verminderung der Flusspulsation gelingt durch eine definierte Wahl der Berandung von Re. Wird nach 2 anstelle des 180°-Kreisabschnitts a für dessen Rand ein größerer Winkel, wie z. B. bei b gewählt, so zeigt sich in der Stellung B, dass sich zusätzlich zum Streufluss ϕ_σ im freien Kreisteil von Re über die nun vergrößerten Überdeckungszonen ein zusätzlicher Feldanteil ausbildet. Dank des kleinen Luftspaltes δ_m bildet sich in Abhängigkeit von der Größe des Überdeckungsbereiches ein verhältnismäßig großer Flussanteil aus. Sein Verlauf ist in 4 trapezartig eingetragen. Er nimmt als ϕ_σb dabei gerade jene Größe an, die erforderlich ist, um die für den Verlauf a bestehende Lücke zu füllen. Es kann für die Variante b somit die Forderung nach konstantem Spulenfluss bei konstantem Strom erfüllt werden.The reduction of flux pulsation is achieved by a defined choice of the boundary of Re. Will after 2 instead of the 180 ° -Kreisabschnitts a for the edge of a larger angle, such. B. selected at b, as shown in the position B, that in addition to the leakage flux φ _σ in the free circular part of Re on the now enlarged coverage zones forms an additional field component. Thanks to the small air gap δ _m , a relatively large proportion of flow is formed depending on the size of the coverage area. His course is in 4 Trapezoidal registered. It takes as φ _σb just the size that is required to fill the existing gap for the course a. It can thus be met for the variant b the demand for constant coil flow at a constant current.

Die hier schematisch gezeichneten Verläufe der Flussanteile und die Begründung ihrer Abhängigkeit zeigen das Problem und die Lösungsmöglichkeit. Es ist dabei erkennbar, dass der konfiguratorische Eingriff zur Modellierung der Flussverläufe mit Hilfe des Kreisabschnittswinkels an Re eine wichtige Möglichkeit eröffnet. Sie wird ergänzt durch Art und Abmessung des Einschnürbereichs T. Für eine präzise Festlegung der Konturenparameter eignet sich das Mittel der numerischen Feldberechnung.The schematics of the flux components and the reasons for their dependency schematically show the problem and the possible solution. It can be seen that the configurational intervention for modeling the flow processes with the help of the circular section angle at Re opens an important possibility. It is complemented by the type and dimensions of the constriction area T. The means of numerical field calculation is suitable for precise definition of the contour parameters.

5 soll darauf hindeuten, dass in den Arbeitsspalten S1 und S2 zur Kraftumsetzung Reaktionsteile RT positioniert sind. Der Feldeingriff findet dabei im Spaltraum δ' statt. Das mit dem Konstruktionsteil Kr verbundene Teil Tr2 ermöglicht im Spaltraum S2 grundsätzlich einen Felddurchtritt zwischen den Rändern der Polansätze Lmz von Lp, wobei vorausgesetzt ist, dass das Bauteil Tr2 eine deutlich höhere magnetische Leitfähigkeit als Luft besitzt. 5 is intended to indicate that reaction parts RT are positioned in the work columns S1 and S2 for force conversion. The field engagement takes place in the gap δ 'instead. In principle, the part Tr2 connected to the structural part Kr allows a field passage between the edges of the pole approaches Lmz of Lp in the gap S2, provided that the component Tr2 has a significantly higher magnetic conductivity than air.

Das Prinzip eines praktisch verlustfreien Kraftaustausches zeigen die 6a und 6b. In der ersten Zeichnung ist dabei angenommen, dass es sich um die Kraftbildung im Spalt S1 von 1 handelt. Das Bauteil Tr1 des Reaktionsteils RT steht in der Position der höchsten auftretenden Kraft. Das von ET erzeugte magnetische Feld entwickelt im Bereich von Lmz, genauer im Bereich der Permanentmagneten Mr, die Felddichte B₁. Da der obere und untere Polansatz Lmz einen Versatz von einer Polteilung aufweisen, kommt jeweils oben und unten ein Magnet mit der passenden Feldrichtung zur Kraftentfaltung, d. h. zur Bildung der Polkraft F₁.The principle of a virtually lossless power exchange show the 6a and 6b , In the first drawing it is assumed that it is the force in the gap S1 of 1 is. The component Tr1 of the reaction part RT is in the position of the highest occurring force. The magnetic field generated by ET develops the field density B ₁ in the range of Lmz, more precisely in the area of the permanent magnet Mr. Since the upper and lower pole lugs Lmz have an offset of one pole pitch, a magnet with the appropriate field direction for power development, ie for the formation of the pole force F ₁ , is respectively provided at the top and bottom.

Im Bild 6b wird vorausgesetzt, dass es sich um die Kraftbildung im Spalt S2 zur gleichen Zeit, wie in 6a, handelt. Dort ist die deutlich kleinere Flussdichte B'₂ in Wechselwirkung mit den Magneten Mr des Bauteils Tr2 und erzeugt einen kleineren Kraftbeitrag F₂ in rücktreibender Richtung. Beide Reaktionsteile erzeugen im betrachtenden Augenblick die Gesamtkraft F₁ – F₂.In the picture 6b It is assumed that this is the force formation in the gap S2 at the same time as in 6a , acts. There, the significantly smaller flux density B ' ₂ in interaction with the magnet Mr of the component Tr2 and generates a smaller power contribution F ₂ in the restoring direction. Both reaction parts generate at the moment of consideration, the total force F ₁ - F ₂ .

Nach einer halben Drehung von Re tritt der Zustand auf dass die Gesamtkraft gleiche Größe erreicht und sich aus der Differenz F₂ – F₁ ergibt. In der der Stellung B entsprechenden Winkellage von Re wird keine Kraft erzeugt.After a half turn of Re, the condition occurs that the total force reaches the same size and results from the difference F ₂ - F ₁ . In the angular position of Re corresponding to the position B, no force is generated.

Der Kraftverlauf, der von einer Erregereinheit ET nach 1 erwartet werden kann, ist ein pulsierender Kraftverlauf. Die Magnet-Rückwirkung von Tr auf den Spulenstrom erweist sich als sehr gering; sie behält dank der Rotation von Re die Richtung bei. Auf das Bauteil Re bezogen, tritt als Reaktion eine Reluktanzwirkung auf, die als Gegenkraft zur Kraft F anzusehen ist. Am Rotor Re wird somit die Leistung umgesetzt, die der Kraftwirkung in den Spalten S1 und S2 entspricht.The force curve, by an exciter unit ET 1 can be expected, is a pulsating force curve. The magnetic repercussion of Tr on the coil current proves to be very low; she keeps the direction thanks to the rotation of Re. Relative to the component Re, occurs in response to a reluctance, which is to be regarded as a counter force to the force F. At the rotor Re, the power is thus converted, which corresponds to the force effect in the columns S1 and S2.

Für die Kraftumsetzung stellt die nach 1 bis 3 beschriebene Anordnung nicht die Ideallösung dar, da jeweils nur ein Teil der entwickelten Kräfte resultierend wirksam wird. Es kann auch argumentiert werden, dass die Bereitstellung eines nur pulsierenden magnetischen Feldes im Arbeitsspalt nicht zur größten Kraftwirkung führt. Das pulsierende Feld wird mathematisch aus der Summe eines Gleichfeldes und einer Wechselfeldkomponente erfasst. Für die Kraftbildung an RT ist jedoch nur die Wechselfeldkomponente umsetzbar.For the power conversion is the after 1 to 3 described arrangement is not the ideal solution, since only a part of the forces developed as a result is effective. It can also be argued that the provision of a pulsating magnetic field in the working gap does not lead to the greatest force effect. The pulsating field is mathematically determined from the sum of a DC field and an AC field component. For force generation at RT, however, only the alternating field component can be implemented.

In 1 besteht die primäre Erregerkomponente aus einem einzigen Leiter. Der Rückleiter ist nicht sichtbar. Entspricht die Anordnung z. B. dem Querschnitt einer elektrischen Maschine, so wäre der Supraleiter El als Ringleiter aufzufassen, bei dem das Leiterende zum Anfang führt.In 1 the primary exciter component consists of a single conductor. The return conductor is not visible. Does the arrangement z. B. the cross section of an electric machine, the superconductor El would be considered as a ring conductor, in which the conductor end leads to the beginning.

In den 7–9 ist eine Zweileiteranordnung beschrieben, bei der jeweils zwei Spulenteile Sp1 und Sp2 mit entgegengesetzter Stromrichtung die Erregerquerschnitte darstellen.In the 7 - 9 a two-wire arrangement is described, in which two coil parts Sp1 and Sp2 with opposite current direction represent the excitation cross sections.

Außerhalb der den Leiterbereich abschließenden Röhren Gi finden sich ähnlich wie in 1 die rotierenden Feldinvertoren Re1 und Re2 mit einem 180° Winkelversatz. Sie rotieren in gleicher Richtung. Es ist erkennbar, dass die Hauptfeldkomponente in 7 von Sp2 generiert, dabei den Strom von Sp1 umgehend, in den Arbeitsspalt gedrückt wird. Das leitfähige Rahmenelement von ET besteht aus dem Mittelabschnitt Lm und den Polansätzen Lz. Das Reaktionsteil RT ist in Übereinstimmung mit 5 ein überwiegend magnetisch gut leitfähiges Bauteil, das an den Polgrenzen von Lz den Spalt δ berandet. Da die gezeichnete Stellung eine hohe magnetische Leitfähigkeit zulässt, entspricht ihr der Flusshöchstwert, verbunden mit einer hohen Felddichte.Outside of the conductor area closing tubes Gi can be found similar to in 1 the rotating field inverters Re1 and Re2 with a 180 ° angular offset. They rotate in the same direction. It can be seen that the main field component in 7 generated by Sp2, while the current of Sp1 immediately, is pressed into the working gap. The conductive frame element of ET consists of the central portion Lm and the Polansätzen Lz. The reaction part RT is in accordance with 5 a predominantly magnetically highly conductive component, which bounds the gap δ at the pole boundaries of Lz. Since the drawn position allows a high magnetic conductivity, it corresponds to the flux peak, combined with a high field density.

Die in 8 angesetzte Stellung der Rotoren Re stellt offensichtlich für den von den Spulen zu erzeugenden Fluss ein großes Hindernis dar. Im Arbeitsbereich entsteht somit kein nennenswerter magnetischer Fluss.In the 8th set position of the rotors Re is obviously a major obstacle for the flow to be generated by the coils. Thus, no appreciable magnetic flux arises in the working area.

Umgekehrt gilt für die Stellung der beweglichen Elemente Re nach 9, dass ähnlich wie in 7 die Schleuse zur Erzeugung eines Nutzflusses ϕ_h weit geöffnet ist. Dank der nun zu 7 inversen Wegvorgabe verläuft das magnetische Feld im Nutzspalt in umgekehrter Richtung, obgleich der die Spule durchsetzende Fluss seine bisherige Richtung ungestört beibehält. Eine Re-Drehung von 180° vermittelt eine komplette Flussumkehr im Nutzspalt, ohne dass der Spulenfluss in seinem Maximalwert beeinträchtigt wird.Conversely, for the position of the movable elements Re after applies 9 that similar to in 7 the lock is wide open to generate a net flow φ _h . Thanks to the now too 7 Inverse Wegvorgabe runs the magnetic field in the utility gap in the reverse direction, although the coil passing through the river maintains its previous direction undisturbed. A re-rotation of 180 ° imparts a complete flux reversal in the payload gap, without the coil flux being affected to its maximum value.

10 zeigt, in Ergänzung zu der mit 7 gezeichneten einseitigen Magnetkreisvariante, die Funktion der doppelseitigen Anordnung mit zwei Nutzspalten S1 und S2. Es ist ersichtlich, dass die erzielbare Flussdichte im Arbeitsbereich der Breite b von der Felddurchtrittsbreite im Bauteil Re unmittelbar abhängt und das Verhältnis dieser beiden Abmessungen für den Felddichtewert bestimmend ist. Zum Unterschied gegenüber 7 zeigt sich in 10 für die gleiche Re-Position eine gleichberechtigte Flussaufteilung auf die beiden Spalten S1 und S2. Es gilt hier offensichtlich ϕ₁ = ϕ₂. 10 shows, in addition to the with 7 drawn one-sided magnetic circuit variant, the function of the double-sided arrangement with two Nutzspalten S1 and S2. It can be seen that the achievable flux density in the working range of the width b directly depends on the field passage width in the component Re and the ratio of these two dimensions is decisive for the field density value. Opposed to the difference 7 shows up in 10 for the same re-position an equal flow distribution on the two columns S1 and S2. Obviously φ ₁ = φ ₂ applies here.

In 11 ist der Verlauf des Flusses ϕ₁ über zwei Halbdrehungen aufgetragen. Mit Inverterelementen Re, die eine 180°-Kreisabschnittskontur besitzen, entspricht dem trapezähnlichen Verlauf von ϕ₁ ein zur linken Magnetkreisseite zugeordneter Gesamtfluss, der eine deutliche Lücke aufweist, also einen pulsierenden Anteil bildet. Die Schließung der Lücke gelingt, ähnlich wie bei der Anordnung nach 1, durch den Übergang auf die mit b bezeichnete Kontur von Re. Sie ist in 8 skizziert, wo auch die entsprechende Streufeldkomponente ϕ_σb gestrichelt eingetragen ist. Ihr zeitlicher Verlauf ist in 11 genau in der Größe eingezeichnet, die der ursprünglichen Nutzflusslücke gleichkommt. Hierdurch wird ein pulsationsfreier Flussverlauf für die Gleichstromerregung möglich, der als Voraussetzung für einen verlustarmen Betrieb der Supraleiter gilt. Der Einsatz eines aus magnetisch leitfähigen Bauteilen bestehenden Feldinverters mit supraleitender Erregung und in Wechselwirkung mit Permanentmagneten des Reaktionsteils kommt ohne strombedingte Verluste aus und führt auf eine hocheffiziente Leistungsumsetzung. Hinzu tritt die integrierte Transformationsstufe für die Geschwindigkeit. Bei einem, z. B. ringförmigen Reaktionsteil mit implantierten Permanentmagneten, kann die Leistung über die Magnetfeldkopplung an einem großen Luftspalt auf schneller rotierende Einheiten hoher Leistungsdichte übertragen werden. Die Vorteile liegen in der hohen Kompaktheit der Anlage und in ihrer verlustarmen Ausführung.In 11 the course of the river φ _{1 is} plotted over two half-turns. With inverter elements Re, which have a 180 ° -Kreisabschnittskontur corresponds to the trapezoidal profile of φ _{1 associated} with the left magnetic circuit side total flux having a significant gap, that forms a pulsating component. The closure of the gap succeeds, similar to the arrangement after 1 , by the transition to the designated by b contour of Re. she is in 8th outlined, where the corresponding stray field _component φ _{σb is entered in} dashed lines. Their time course is in 11 exactly in the size drawn, which equals the original Nutzflusslücke. As a result, a pulsation-free flow path for the DC excitation is possible, which is considered a prerequisite for low-loss operation of the superconductor. The use of a magnetically conductive components field inverter with superconducting excitation and in interaction with permanent magnets of the reaction part comes without power losses and leads to a highly efficient power conversion. Added to this is the integrated speed transformation stage. At one, z. B. annular reaction part with implanted permanent magnets, the power can be transmitted via the magnetic field coupling at a large air gap on faster rotating units of high power density. The advantages are the high compactness of the system and its low-loss design.

Das rotierende Inverterbauteil ReThe rotating inverter component Re

Die der hohen Drehzahl entsprechende Umfangsgeschwindigkeit am Außenrand von Re ist Kennzeichen einer hohen Leistungsdichte. Die auf das Element wirkende Umfangskraft wird durch das Rückwirkungsfeld der im Reaktionsteil eingesetzten Permanentmagneten als Reluktanzkraft wirksam. Eine aus magnetischer Forderung entstandene Kreisabschnittsform ist in mechanischer Sicht nicht als günstig zu bezeichnen. Zunächst muss zur Minimierung von mechanischen Spannungen und einer Lösung des Befestigungsproblems der unsymmetrische Re-Körper zu einer mechanisch möglichst homogenen zylindrischen Anordnung ergänzt werden. Dies leistet z. B. die Anwendung zweier Kreisabschnittsflächen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, aber gleichen spezifischen Gewichts, die schweißtechnisch miteinander verbunden sind. Wird der Inverterkörper Re aus entsprechenden Kombilamellen in Kreisringform geschichtet, so besteht die Voraussetzung zur Erzielung von Umfangsgeschwindigkeiten bis nahe an 100 m/s. Hierbei ist auf der einen Hälfte hochpermeables und auf der anderen Hälfte sogenanntes nichtmagnetisches Material im Einsatz. Bekannt ist auch, dass bei Verwendung von hochfestem Fasermaterial als Bandage die Möglichkeit zur Reduktion von Spannungen im inneren Teil des Rotors besteht.The high speed corresponding peripheral speed at the outer edge of Re is characteristic of a high power density. The circumferential force acting on the element becomes effective as a reluctance force by the feedback field of the permanent magnets used in the reaction part. A resulting from magnetic demand circular section shape is not to be considered favorable in mechanical terms. First, in order to minimize mechanical stresses and a solution to the mounting problem, the unbalanced re-body must be supplemented to a mechanically as homogeneous as possible cylindrical arrangement. This makes z. Example, the application of two circular section surfaces of different magnetic properties, but the same specific weight, which are connected by welding technology. If the inverter body Re is layered out of corresponding combination blades in circular ring form, then the prerequisite for achieving peripheral speeds up to almost 100 m / s. This is on the one hand hochpermeables and on the other half so-called non-magnetic material in use. It is also known that when using high-strength fiber material as a bandage there is the possibility of reducing stresses in the inner part of the rotor.

Longitudinale Magnetkreisanordnung mit Wechselfelderregung und SupraleiterLongitudinal magnetic circuit arrangement with alternating field excitation and superconductor

Zur Erregung eines blockförmigen Wanderfeldes eignet sich auch eine Magnetkreisanordnung in longitudinaler Flussführung. Sie wird schematisch in den 12–14 mit verschiedenen Stellungen der Inverterelemente Re und dem grundsätzlichen Flussverlauf dargestellt. Im Arbeitsspalt δ_a zwischen dem Erregerteil ET und dem Reaktionsteil RT soll in einer Folge alternierender Pole Lz ein magnetisches Feld, das durch seinen Fluss ϕ sowie die Felddichte B zu charakterisieren ist, entstehen und gemäß der Drehgeschwindigkeit von Re seine Polarität ändern. 12 zeigt den stromführenden Querschnitt El mit abwechselnder Stromrichtung, entsprechend der Polfolge. Die Querverbindungen der Spulen ermöglichen die Optionen, die Spulenquerschnitte jeweils nur hälftig oder vollständig einer bestimmten Spule zuzuschreiben. In letzterem Falle ergibt sich die halbe Zahl der erforderlichen Spulen. Die Invertersegmente Re umkreisen das den Leiter schützende Rohr Gi in gleicher Richtung. Im Anschluss an die Einschnürungsstelle T beginnt die Polausprägung Lz, wobei ein ausreichender Streufeldabstand berücksichtigt wird. Der Außendurchmesser von Re entspricht dabei etwa der Polbreite b_p. In 12 ist ersichtlich, dass der Polfluss ϕ₁ in Lz einen Südpol und beim rechten Nachbarpol einen Nordpol bildet. Zur Kennzeichnung in einem Diagramm des Flussverlaufs nach 15 ist diese Feldverteilung mit A beschriftet.To excite a block-shaped traveling field, a magnetic circuit arrangement in longitudinal flux guidance is also suitable. It is shown schematically in the 12 - 14 shown with different positions of the inverter elements Re and the basic flow. In the working gap δ _a between the exciter part ET and the reaction part RT is in a sequence of alternating poles Lz a magnetic field, which is characterized by its flux φ and the field density B, arise and change its polarity according to the rotational speed of Re. 12 shows the current-carrying cross section El with alternating current direction, according to the Polfolge. The cross-connections of the coils allow the options to assign the coil cross-sections only half or all of a particular coil. In the latter case, half the number of required coils. The inverter segments Re orbit the conductor protective tube Gi in the same direction. Subsequent to the constriction point T, the polar characteristic Lz begins, whereby a sufficient stray field distance is taken into account. The outer diameter of Re corresponds approximately to the pole width b _p . In 12 It can be seen that the pole flux φ ₁ forms a south pole in Lz and a north pole in the right neighbor pole. For identification in a diagram of the course of the river 15 this field distribution is labeled with A.

13 zeigt das Flussbild für eine um π/2 weitergedrehte Winkelstellung von Re. Sie ist im Flussdiagramm mit B bezeichnet. Für eine den Arbeitsspalt durchsetzende Flusskomponente ist in dieser symmetrischen Stellung keine Anregung gegeben. 13 shows the flow pattern for an π / 2 further rotated angular position of Re. It is labeled B in the flowchart. For a flux component that passes through the working gap, no excitation is given in this symmetrical position.

Aus Gründen der Flussglättung wird durch die gegenüber 180° überstehenden Re-Flügel ein verhältnismäßig großer Streufluss ϕ_σ zugelassen. Seine Größe ist durch die Wahl der Re-Geometrie und die Größe der Einschnürstellen T, also über Entwurfsparameter modellierbar.For reasons of flux smoothing, a comparatively large stray flux φ _{σ is} permitted by the re-blades projecting beyond 180 °. Its size is modeled by the choice of the re-geometry and the size of the Einschnürstellen T, so on design parameters.

Die Stellung C, nach 14 ist mit einer Weiterdrehung von Re um den Winkel π/2 gewissermaßen das Gegenstück zur Feldlausbildung von 12 nach Stellung A. Das gezeichnete Polpaar hat die Polarität gewechselt, wobei aber der Spulenfluss wieder von oben nach unten die Spulenebene durchsetzt, also seine Größe und Richtung beibehält.The position C, after 14 is with a further rotation of Re by the angle π / 2 in a sense the counterpart to Feldlausbildung of 12 to position A. The drawn pole pair has changed the polarity, but the coil flow again passes through the coil plane from top to bottom, thus maintaining its size and direction.

Dies kommt auch im Diagramm von 15 zum Ausdruck, in dem der gestrichelt gezeichnete Fluss-ϕ₁ auf den Erhalt des Spulenflusses hinweist. Die im Bereich der Stellung B auftretende Flusslücke wird durch passende Dimensionierung von Re und der Einschnürungsstelle T und durch die Zulassung eines Streuflusses ϕ_σ geschlossen.This also comes in the diagram of 15 expressed in the dashed line flow φ ₁ indicates the receipt of the coil flow. The flow gap occurring in the region of the position B is closed by suitable dimensioning of Re and the constriction point T and by the approval of a leakage flux φ _σ .

Ein wichtiger Punkt ist die Stellbarkeit des FeldesAn important point is the field's field of action

Sie wird bei elektromagnetischen Wandlern mit Blick auf Leistungsanpassung und die Verhinderung von Schadensfällen gefordert. Eine Rücknahme der Feldintensität wird bei Anwendung in Bahn- und Fahrzeugtechnik erwartet, um die Leistungsaufnahme der Wicklung im oberen Geschwindigkeitsbereich zweckmäßig begrenzen zu können.It is required for electromagnetic transducers for power matching and the prevention of damage. A reduction of the field intensity is expected when used in railway and vehicle technology in order to limit the power consumption of the winding in the upper speed range appropriate.

Es liegt nahe, dass bei Störfällen im Stromführungssystem kritische Situationen entstehen können, wenn die Erregung des magnetischen Feldes nicht auf kleine Werte reduziert werden kann. Aus diesem Grunde werden Notfallentregungsverfahren oft zur Bedingung gemacht.It stands to reason that in the case of faults in the current-carrying system critical situations can arise if the excitation of the magnetic field can not be reduced to small values. For this reason, emergency deprivation procedures are often made a condition.

Die erfindungsgemäße Anwendung des Gleichfeld/Wechselfeldinverters ermöglicht in einfacher Weise die Entregung. Durch Verdrehen der Invertersegmente zweier benachbarter Pole gegeneinander lässt sich der Felddurchgang vermindern und auf sehr niedrige Werte begrenzen.The application of the DC field / Wechselfeldinverters invention allows in a simple way the de-energizing. By twisting the inverter segments of two adjacent poles against each other, the field passage can be reduced and limited to very low values.

Claims

DC-excited magnetic circuit for alternating field generation in linear or rotary transducers in transversal or longitudinal flux guidance consisting of at least two parts, with at least one DC-conducting coil which generates a magnetic field, wherein the at least one current-carrying and magnetizing part is in each case surrounded by a segment-like, magnetically conductive rotor (RE) which is rotatable relative thereto, the magnetically conductive frame element (Lp) adjacent to the respective rotor (Re) has two approximately diametrical constriction points (T) adjacent to the at least one rotor (Re) via a small air gap, each communicating with a working gap (S1, S2), and wherein at constant flux as a function of the rotational speed of the at least one rotor (Re) in the working columns (S1, S2) an alternating magnetic field can be generated.

Gleichstromerregter magnetic circuit according to claim 1 for generating a symmetrically excited alternating field in transverse flux with two mirrored rotors (Re1, Re2), which act in the field behind the other.

DC-excited magnetic circuit according to one of the preceding claims, wherein the shape of the segments of the at least one rotor (Re, Re1, Re2) and the Einschnürstellen (T) are adapted such that a rotation angle-dependent dimensioning of the excitation flux leakage to complete the rotation angle-independent flow arises.

DC-excited magnetic circuit according to claim 1 or 3, wherein in longitudinal flux guide each pole, a coil side with rotor (Re1, Re2) is assigned, and the segments of the rotor (Re1, Re2) are movable in field full scale in side position to the axis of rotation.

DC-excited magnetic circuit according to one of claims 2 to 4, wherein at an angular rotation of adjacent rotors (Re1, Re2) against each other, the flow in the working gap (S1, S2) can be influenced.

DC-excited magnetic circuit according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein the generated alternating field in the working gap (S1, S2) magnetic interactions with permanent magnets of a reaction part (RT) are evoked.